WO2017186390A1

WO2017186390A1 - Elektrisches system mit mindestens zwei modulen

Info

Publication number: WO2017186390A1
Application number: PCT/EP2017/055506
Authority: WO
Inventors: Tobias Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: EP3448712A1; DE102016207286A1; US20210296890A1; US11515808B2; CN109311403A

Abstract

Elektrisches System (100) mit mindestens zwei Modulen (200, 300), wobei ein Modul (200, 300) mindestens ein Schaltelement (210, 310) umfasst. Das erste Modul (200) umfasst ein erstes Schaltelement (210) aus einem ersten Halbleitermaterial und das zweite Modul (300) umfasst ein zweites Schaltelement (310) aus einem zweiten Halbleitermaterial.

Description

Beschreibung

Titel

Elektrisches System mit mindestens zwei Modulen

Die Erfindung betrifft ein elektrisches System mit mindestens zwei Modulen. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit dem elektrischen System, sowie ein Verfahren zum Betrieb des elektrischen Systems.

Stand der Technik

Elektrische Systeme mit mehreren Modulen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise aus Gründen der Skalierbarkeit der elektrischen Leistung werden elektrische Systeme mit einer variierbaren Anzahl elektrischer Module hergestellt und betrieben. Beispielsweise Spannungswandler, bei denen in Abhängigkeit des Netzstroms oder der Netzspannung oder der zu übertragenden Energie mehrere, insbesondere gleichartige, Gleichrichtermodule oder Wechselrichtermodule parallel geschaltet werden. Bei diesen elektrischen Systemen mit mindestens zwei Modulen besteht das Bedürfnis, die Effizienz des elektrischen Systems, insbesondere kostengünstig, zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein elektrisches System mit mindestens zwei Modulen bereitgestellt. Ein Modul dieses elektrischen Systems umfasst dabei mindestens ein Schaltelement, Das erste Modul umfasst ein erstes Schaltelement aus einem ersten Halbleitermaterial. Das zweite Modul umfasst ein zweites Schaltelement aus einem zweiten Halbleitermaterial.

Es wird ein elektrisches System bereitgestellt, welches zwei Module umfasst. Insbesondere sind das erste und das zweite Modul funktional gleichartige elektri- sehe Module, beispielsweise ein erster und ein zweiter Wechselrichter oder ein erster und ein zweiter Gleichspannungswandler. Die mindestens zwei Module umfassen jeweils mindestens ein Schaltelement, wobei ein erstes Schaltelement aus dem ersten Modul aus einem ersten Halbleitermaterial gefertigt ist, und ein zweites Schaltelement aus dem zweiten Modul aus einem zweiten Halbleitermaterial hergestellt ist. Insbesondere unterscheiden sich die elektrischen oder chemischen Eigenschaften der zwei Halbleitermaterialien. Die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften beziehen sich insbesondere auf die elektrische Leitfähigkeit des Materials in Abhängigkeit von angelegten elektrischen Feldern, elektrischen Spannungen oder elektrischen Strömen. Die unterschiedlichen chemischen Eigenschaften beziehen sich insbesondere auf die unterschiedlichen chemischen Elemente, aus denen die Materialien zusammengesetzt sind. Vorteilhaft wird ein elektrisches System mit mindestens zwei Modulen bereitgestellt, deren Module unterschiedliche elektrische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Schaltelement größere Leitungs- und oder Schaltverluste auf als das zweite Schaltelement.

Aufgrund der unterschiedlichen Halbleitermaterialien, aus denen die Schaltelemente des ersten und des zweiten Moduls hergestellt sind, weist das erste Schaltelement größere Leitungsverluste oder Schaltverluste auf als das zweite Schaltelement. Vorteilhaft werden Module bereitgestellt, mit unterschiedlichen Leitungs- und/oder Schaltverlusten.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird im Betrieb des elektrischen Systems das erste Schaltelement mit einer geringeren Schaltfrequenz betrieben als das zweite Schaltelement.

Es wird ein elektrisches System bereitgestellt, wobei das erste Schaltelement mit einer geringeren Schaltfrequenz, insbesondere mindestens 10% geringeren Schaltfrequenz, betrieben wird als das zweite Schaltelement. Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, dass eine Schaltelement mit einer deutlich höheren Frequenz zu betreiben als das andere, ohne dass dadurch eine Schädigung der Module aufgrund von Überspannung oder Überhitzung entsteht. Vorteilhaft wird somit ein elektrisches System geschaffen, bei dem im Betrieb die Nutzung der einzelnen Module in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert wird.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Halbleitermaterial einen geringeren Bandabstand auf, als das zweite Halbleitermaterial. Insbesondere ist das erste Halbleitermaterial ein Elementhalbleiter, beispielsweise Silizium und insbesondere das zweite Halbleitermaterial ein Verbindungshalbleiter, insbesondere Siliziumcarbid oder Galliumnitrid.

Unterschiedliche Halbleitermaterialien weisen unterschiedliche Bandabstände auf, so dass beispielsweise für das erste Schaltelement ein Halbleitermaterial mit einem geringeren Bandabstand verwendet wird als für das zweite Schaltelement. Aufgrund der chemischen Zusammensetzungen unterscheiden sich auch bei unterschiedlichen Elementhalbleitern oder Verbindungshalbleitern die Bandabstände. Bei der Verwendung eines Elementhalbleiters in einem Modul und eines Verbindungshalbleiters, insbesondere Siliziumcarbid oder Galliumnitrid, in einem anderen Modul können noch größere Bandabstandsunterschiede entstehen. Je größer die Unterschiede der Bandabstände zueinander, desto größer auch die Unterschiede der elektrischen und chemischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien und damit auch der einzelnen Schaltelemente und letztlich der Module. Vorteilhaft wird ein elektrisches System mit mindestens zwei Modulen bereitgestellt, deren Module unterschiedliche elektrische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrischen Leistungen der Module unterschiedlich groß. Insbesondere weisen sie ein Verhältnis von ungefähr 55 zu 45%, 60 zu 40 %, 70 zu 30% oder 80 zu 20%, 90 zu 10%, oder jeweils umgekehrt auf.

Die Module des elektrischen Systems weisen unterschiedliche elektrische Leistungen auf. Ein einzelnes elektrisches Modul kann in einem Leistungsbereich bis zu einer maximalen Leistung betrieben werden. Innerhalb dieses Leistungsbe- reichs gibt es mindestens einen Betriebspunkt, indem das einzelne Modul am effizientesten betrieben werden kann, beispielsweise bezüglich des Quotienten aus Verlust- und Nutzleistung. Die Verluste entstehen beispielsweise bei den Schaltvorgängen und der Stromleitung durch das Schaltelement. Die Nutzleistung ist beispielsweise die elektrische Leistung, die zu einem Verbraucher übertragen wird, der an das Schaltelement angeschlossen ist. Es ist anzustreben, dieses Modul möglichst nahe an diesem effizienten Betriebspunkt zu betreiben. Da das elektrische System mindestens zwei Module unterschiedlich großer Leistung um- fasst, ergeben sich mindestens zwei unterschiedliche Betriebspunkte, bei denen jeweils eines der beiden Module am effizientesten betrieben wird. Ein dritter effizienter Betriebspunkt ergibt sich aus dem gemeinsamen Betrieb beider Module in ihren jeweiligen effizientesten Betriebspunkt. Vorteilhaft wird ein elektrisches System bereitgestellt, welches, aufgrund der Zu- und Abschaltbarkeit der einzelnen Module und derer unterschiedlich großen Nennleistungen, in Abhängigkeit einer Leistungsanforderung sehr effizient in der Nähe von mindestens einem der drei effizientesten Betriebspunkte betrieben werden kann.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind das erste Modul zur Versorgung mindestens einer ersten unabhängigen elektrischen Komponente und das zweite Modul zur Versorgung mindestens einer zweiten unabhängigen elektrischen Komponente mit elektrischer Energie eingerichtet. Das erste Modul ist insbesondere zur Versorgung mindestens einer ersten und das zweite Modul ist insbesondere zur Versorgung einer zweiten elektrischen Maschine eingerichtet.

Es ist vorgesehen, dass das erste Modul zur Versorgung einer ersten unabhängigen elektrischen Komponente, insbesondere eine erste elektrische Maschine, eingerichtet ist. Weiter ist vorgesehen, dass das zweite Modul zur Versorgung mindestens einer zweiten elektrischen Komponente, insbesondere einer zweiten elektrischen Maschine, eingerichtet ist. Vorteilhaft wird ein elektrisches System zur Versorgung zweier unabhängiger elektrischer Komponenten bereitgestellt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische System ein elektrisches Antriebssystem. Die zwei Module sind zwei Antriebsmodule. Ein erstes Antriebsmodul umfasst mindestens einen ersten Wechselrichter mit dem ers- ten Schaltelement und ein zweites Antriebsmodul umfasst mindestens einen zweiten Wechselrichter mit dem zweiten Schaltelement.

Es wird ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellt mit zwei Antriebsmodulen. Ein erstes Antriebsmodul umfasst einen ersten Wechselrichter, welcher mindestens das erste Schaltelement umfasst. Ein zweites Antriebsmodul umfasst einen zweiten Wechselrichter, welcher mindestens das zweite Schaltelement umfasst. Somit wird ein Antriebssystem bereitgestellt, welches zwei Wechselrichter umfasst, wobei der erste Wechselrichter das erste Schaltelement aus dem ersten Halbleitermaterial umfasst, und der zweite Wechselrichter das zweite Schaltelement aus dem zweiten Halbleitermaterial umfasst. Die beiden Wechselrichter sind insbesondere zur gemeinsamen Versorgung einer elektrischen Komponente oder zur jeweiligen Versorgung einer unabhängigen elektrischen Komponente eingerichtet. Die elektrische Komponente kann eine elektrische Maschine sein. Diese kann gemeinsam, beispielsweise mittels Parallelschaltung der Wechselrichter, versorgt werden. Oder die Wechselrichter versorgen jeweils eine unabhängige elektrische Maschine. Vorteilhaft wird ein Antriebssystem bereitgestellt, dessen Wechselrichter unterschiedliche elektrische oder chemische Eigenschaften aufweisen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Antriebsmodul zur Versorgung einer ersten elektrischen Maschine für den Antrieb eines Fahrzeugs eingerichtet und das zweite Antriebsmodul zur Versorgung einer zweiten elektrischen Maschine für den Antrieb des Fahrzeugs eingerichtet.

Es wird ein elektrisches System für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt. Ein erstes Antriebsmodul ist zur Versorgung einer ersten elektrischen Maschine für den Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen. Ein zweites Antriebsmodul ist für die Versorgung einer zweiten elektrischen Maschine für den Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen. In dieser Ausgestaltung der Erfindung verfügt ein Fahrzeug über eine erste und eine zweite elektrische Maschine, die für den Antrieb des Fahrzeugs entweder einzeln oder gemeinsam betrieben werden können. Hierzu sind mehrere Fahrzeugtopologien denkbar. Beispielsweise ein Fahrzeug bei dem an unterschiedlichen Antriebsachsen jeweils eine elektrische Maschine zum Antrieb der Achse angebaut ist. Oder ein Parallelhybrid bei dem zusätzlich ein Verbrennungsmotor ein Drehmoment an mindestens eine der Antriebsachsen abgeben kann. Oder ein Torquesplitantrieb bei dem zumindest eine der beiden Achsen über ein Planetengetriebe von zwei Antriebsaggregaten angetrieben werden kann. Vorteilhaft wird ein elektrisches Antriebssystem bereitgestellt, welches aufgrund der größeren Anzahl an Antriebsmaschinen ausfallsicher und effizienter betrieben werden kann. Ein effizienterer Betrieb ist insbesondere möglich, wenn die unterschiedlichen elektrischen Maschinen unterschiedlich große Nennleistungen aufweisen. Vorteilhaft kann so das elektrische System besonders effizient in der Nähe eines der drei resultierenden optimalen Betriebspunkte betrieben werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das elektrische System, ein elektrisches Wandlersystem. Die zwei Module sind zwei Spannungswandlermodule, wobei ein erstes Spannungswandlermodul mindestens einen ersten Gleichspannungswandler mit dem ersten Schaltelement umfasst, und ein zweites Spannungswandlermodul mindestens einen zweiten Gleichspannungswandler mit dem zweiten Schaltelement umfasst.

Somit wird ein Wandlersystem bereitgestellt, welches mindestens zwei Spannungswandlermodule umfasst. Ein erster Gleichspannungswandler umfasst das erste Schaltelement und ein zweiter Gleichspannungswandler umfasst das zweite Schaltelement. Die beiden Gleichspannungswandler sind insbesondere zur gemeinsamen Versorgung einer elektrischen Komponente oder zur jeweiligen Versorgung einer unabhängigen elektrischen Komponente eingerichtet. Die elektrische Komponente kann beispielsweise ein elektrisches Netz oder Teilnetz oder ein Gleichspannungsverbraucher sein. Ein derartiges Netz oder ein Verbraucher kann gemeinsam, beispielsweise mittels Parallelschaltung oder Reihenschaltung der Gleichspannungswandler, versorgt werden. Oder die Gleichspannungswandler versorgen jeweils einen unabhängigen elektrischen Verbraucher beziehungsweise elektrisches Netz. Vorteilhaft wird ein elektrisches Wandlersystem bereitgestellt, welches, wie oben beschrieben, besonders effizient betrieben werden kann.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und zweite Spannungswandlermodul zur Wandlung elektrischer Energie mindestens einer Energiequelle zur Versorgung eines elektrischen Netzes oder Teilnetzes, insbesondere eines Traktionsnetzes oder eines Bordnetzes eines Fahrzeugs, eingerichtet ist.

Es wird ein elektrisches Wandlersystem bereitgestellt, welches zur Wandlung der Energie mindestens einer Energiequelle eingerichtet ist. Eine Energiequelle ist beispielsweise eine Batterie, eine Brennstoffzelle, ein Versorgungsnetz oder ein anders geartetes Energiemodul. Die Spannungswandlermodule wandeln die Energie dieser Energiequelle zur Versorgung eines elektrischen Netzes oder Teilnetzes. Das elektrische Netz oder Teilnetz ist insbesondere ein Traktionsnetz oder Hochvoltnetz eines Fahrzeugs oder ein Bordnetz eines Fahrzeuges. Ein derartiges Bordnetz wird üblicherweise im Niederspannungsbereich bei 12 Volt oder 48 Volt, insbesondere unterhalb 48V betrieben. Vorteilhaft wird durch das Aufteilen der Wandlung auf zwei Spannungswandlermodule die Möglichkeit geschaffen, das elektrische Wandlersystem im Bereich dreier Betriebspunkte besonders effizient zu betreiben.

Ferner umfasst die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem beschriebenen elektrischen System. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug mit einem elektrischen System bereitgestellt, welches effizient betrieben werden kann.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems mit mindestens zwei Modulen, wobei ein Modul mindestens ein Schaltelement umfasst. Das erste Modul umfasst ein erstes Schaltelement aus einem ersten Halbleitermaterial und das zweite Modul umfasst ein zweites Schaltelement aus einem zweiten Halbleitermaterial. Im Betrieb des elektrischen Systems werden das erste Modul mit einer ersten Betriebsart und das zweite Modul mit einer zweiten Betriebsart betrieben.

Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, das eine Schaltelement mit einer anderen Betriebsart zu betreiben als das andere, ohne dass dadurch eine Schädigung der Module oder Schaltelemente aufgrund von Überspannung oder Überhitzung entsteht. Unter Betriebsart sind beispielsweise unterschiedliche Ansteuermethoden, Signalpfade, Modulationsarten oder Schaltfrequenzen zu verstehen. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems bereitgestellt, bei dem die einzelnen Module in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert betrieben werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird im Betrieb des elektrischen Systems das erste Modul mit einer geringeren Schaltfrequenz betrieben als das zweite Modul.

Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, das eine Schaltelement mit einer deutlich höheren Schaltfrequenz zu betreiben als das andere, ohne dass dadurch eine Schädigung der Module oder Schaltelemente aufgrund von Überspannung oder Überhitzung entsteht. Das bedeutet, dass für den Betrieb des ersten Moduls eine wesentlich geringere Schaltfrequenz vorgegeben wird als für den Betrieb des zweiten Moduls. Insbesondere wird für den Betrieb des ersten Moduls eine Schaltfrequenz vorgegeben, die mindestens 10% geringer ist als die Schaltfrequenz, die für den Betrieb des zweiten Moduls vorgegeben wird. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems bereitgestellt, bei dem die einzelnen Module in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert betrieben werden.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird im Betrieb des elektrischen Systems das erste Modul mit einem ersten Ansteuerverfahren, insbesondere pulsweitenmoduliert, und das zweite Modul mit einem zweiten Ansteuerverfahren, insbesondere im Blockbetrieb, betrieben.

Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Halbleitermaterialien und deren unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Schaltelementes besteht die Möglichkeit, das eine Schaltelement mit einem ersten Ansteuerverfahren und das zweite Schaltelement mit einem zweiten Ansteuerverfahren zu betreiben, ohne dass dadurch eine Schädigung der Schaltelemente oder Module aufgrund von unterschiedlichen Belastungen, also Überspannung oder Überhitzung, entsteht. Als unterschiedliche Ansteuerverfahren können je nach Anwendung beispielsweise die Pulsweiten-Modulation (PWM), die space- vector Pulsweiten-Modulation (SVPWM) oder der Blockbetrieb verwendet werden. Vorteilhaft wird somit ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Systems bereitgestellt, bei dem die einzelnen Module in Abhängigkeit derer elektrischer und chemischer Eigenschaften optimiert betrieben werden.

Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, die bisher beschriebenen Verfahren auszuführen.

Ferner umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.

Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungs gemäßen Systems auf die Ausführungsbeispiele und umgekehrt zutreffen, bzw. anwendbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

Figur 1

ein schematisch dargestelltes elektrisches System mit mindestens zwei Modulen,

Figur 2

ein schematisch dargestelltes elektrisches System zur Versorgung einer ersten und einer zweiten unabhängigen Komponente,

Figur 3

ein elektrisches Antriebssystem mit zwei Wechselrichtern, Figur 4

ein elektrisches System mit zwei Antriebsmodulen für den Antrieb eines Fahrzeugs,

Figur 5

ein elektrisches Wandlersystem mit zwei Spannungswandlermodulen, Figur 6

ein elektrisches Wandlersystem zur Versorgung eines Bordnetzes, beispielswie- se eines Fahrzeugs,

Figur 7

ein elektrisches Wandlersystem zur Versorgung eines Traktionsnetzes, beispielsweise eines Fahrzeugs.

Figur 8

ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb des elektrischen Systems

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems 100 mit mindestens zwei Modulen 200, 300. Das erste Modul 200 umfasst mindestens ein erstes Schaltelement 210 aus einem ersten Halbleitermaterial. Das zweite Modul 300 umfasst mindestens ein zweites Schaltelement 310 aus einem zweiten Halbleitermaterial. Beispielhaft ist eine Verschaltung des elektrischen Systems dargestellt, so dass eingangsseitig eine Eingangsspannung Ui abgegriffen werden kann, und ausgangsseitig eine Ausgangsspannung Uo abgegriffen werden kann. Mittels der beispielhaft und vereinfacht dargestellten Schaltung besteht die Möglichkeit durch Schließen des mindestens einen Schaltelementes eines der beiden Module eine elektrische Leistung von der Eingangsseite des elektrischen Systems zur Ausgangsseite des elektrischen Systems zu übertragen. Dadurch, dass das erste Schaltelement 210 aus einem anderen Halbleitermaterial besteht als das zweite Schaltelement 310, sind die Verluste, insbesondere Schalt- und Leitungsverluste, die bei der Leistungsübertragung entstehen, unterschiedlich. Aufgrund der unterschiedlichen Charakteristika des ersten und des zweiten Schaltelemetes wird insbesondere vorteilhaft das erste Schaltelement 210 mit einer anderen Schaltfrequenz betrieben als das zweite Schaltelement 310. Dies kann besonders vorteilhaft sein für eine hohe Effizienz des Ge- samtsystems in Teillastbetriebszuständen, die insbesondere bei Fahrzeugantrieben einen wesentlichen und reichweitenrelevanten Betriebszustand darstellen. Beispielhaft werden Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandabständen als unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet. Hierzu wird beispielsweise für das erste Schaltelement 210 ein Elementhalbleiter aus Silizium verwendet und für das zweite Schaltelement 310 ein Verbindungshalbleiter aus Siliziumcar- bid oder Galliumnitrid. Aufgrund der unterschiedlich großen Verluste des ersten und des zweiten Schaltelements 210, 310 oder Moduls 200, 300 werden insbesondere in einem elektrischen System 100 vorteilhaft Module mit unterschiedlich großer elektrischer Leistung vorgesehen. Für den Betrieb eines Systems mit ei- ner relativ geringen dauerhaft angeforderten Grundlast und kurzzeitiger Spitzenlast wird insbesondere ein erstes Modul 200 mit geringerer Leistungsfähigkeit und geringen Verlusten mit einem weiteren Modul 300 mit hoher elektrischer Leistung und hohen elektrischen Verlusten verwendet. Insgesamt ergibt sich ein kostengünstigeres System. Die Herstellkosten für das Modul mit den geringeren Verlusten sind aufgrund der Auslegung für geringe elektrische Leistung akzeptabel. Für den Dauerbetrieb sind damit günstige Betriebskosten verbunden. Für die kurzfristig benötigte Spitzenlast wird ein zweites Modul mit günstiger konventioneller Technik bereitgestellt, welches jedoch höhere Verluste bei geringeren Kosten verursacht.

Figur 2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung eines elektrischen Systems 100 mit einem ersten Modul 200 und einem zweiten Modul 300. Das erste Modul 200 ist zur Versorgung mindestens einer ersten unabhängigen elektrischen Komponente 400 und das zweite Modul 300 zur Versorgung mindestens einer zweiten unabhängigen elektrischen Komponente 500 vorgesehen. Diese

Ausführung ist insbesondere zum Betrieb zweier elektrischer Komponenten 400, 500 vorgesehen, von denen ebenfalls wiederum eine für einen Dauerbetrieb ausgelegt ist, und die andere für einen vergleichsweise kurzzeitigen Betrieb. Auch hier gelten wieder die Überlegungen, dass die für den Dauerbetrieb ausge- legte Komponente mit möglichst geringen Verlusten und insbesondere geringerer Leistung, betrieben wird, und die seltener eingesetzte, günstigere Komponente mit größeren Verlusten und, insbesondere größerer Leistung, betreibbar ist. Hierzu wird entsprechend wieder im ersten Modul 200 das erste Schaltelement 210 aus einem ersten Halbleitermaterial verwendet und im zweiten Modul 300 das zweite Schaltelement 310 aus einem zweiten Halbleitermaterial hergestellt.

Figur 3 zeigt ein elektrisches System 100, welches als elektrisches Antriebssystem 110 ausgeführt ist. Hierzu umfasst das System 100 ein erstes Modul 200 und ein zweites Modul 300, welche als ein erstes Antriebsmodul 250 mit einem ersten Wechselrichter und als ein zweites Antriebsmodul 350 mit einem zweiten

Wechselrichter ausgestattet ist. Der erste Wechselrichter umfasst mindestens das erste Schaltelement 210, wobei in der Zeichnung ein dreiphasiger Wechselrichter mit zwei Halbbrücken umfassend die Schaltelemente 210_1.., 210_6 umfasst. Diese ersten Schaltelemente sind wiederum aus einem ersten Halbleiter- material gefertigt. Der zweite Wechselrichter umfasst entsprechend Schaltelemente 310_1.., 310_6. Der erste Wechselrichter des ersten Antriebsmoduls 250 versorgt eine erste elektrische Komponente 400, welche in diesem Ausführungsbeispiel als erste elektrische Maschine 410 ausgeführt ist. Entsprechend versorgt das zweite Antriebsmodul 350 eine zweite elektrische Komponente 500, welche in diesem Ausführungsbeispiel als elektrische Maschine 510 ausgeführt ist. Analog zu den bisherigen Ausführungsbeispielen bietet es sich an, das Antriebsmodul je nach Leistungsbedarf und Dauer des Einsatzes unterschiedlich auszulegen und entsprechend hierfür Schaltelemente auszuwählen, die aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien hergestellt sind und entsprechend unterschiedliche Verluste beim Schalten und beim Betrieb aufweisen. Entsprechendes gilt auch für die elektrischen Maschinen. So können beispielsweise die elektrischen Maschinen je nach Leistungsbedarf und Dauer des Einsatzes unterschiedlich ausgelegt werden und entsprechend hierfür Maschinentypen (beispielsweise Synchron- oder Asynchronmaschinen, elektrisch oder permanentmagnetisch erregte Maschinen), Bauarten oder Materialien ausgewählt werden, die entsprechend unterschiedliche Verluste beim Betrieb aufweisen. Als Eingangsspannung sind in Figur 3 beispielhaft eine erste Eingangsspannung Uil und eine zweite Eingangsspannung Ui2 dargestellt. Ebenso ist eine parallele Versorgung beider Wechselrichter mit einer gemeinsamen Eingangsspannung Ui (aus Übersichtlichkeits- gründen nicht dargestellt) möglich. Ein derartiger Doppelinverter kann in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut werden. Darin können vorteilhaft noch ein gegebenenfalls gemeinsam genutzter Eingangsfilter und Zwischenkreiskondensator sowie der Mikrocontroller mit zwei Endstufen, die in ihrer Leistungsaufteilung der jeweiligen Anwendung angepasst werden können, integriert werden. Einer der beiden Inverter nutzt dabei beispielsweise die hocheffiziente SiC-Technologie, während der für den Boostantrieb vorgesehene Leistungsteil mit klassischer Si-IGBT Technik arbeitet. Der Doppelinverter kann neben dem Anschluss an die Fahrzeugbatterie und das Fahrzeugsteuergerät zwei Anschlüsse für elektrische Maschinen aufweisen. Je nach Integrationstiefe zwischen Inverter und Maschine oder Maschinen kann auch der Doppelinverter in dem Gehäuse der elektrischen Maschine integriert werden. Vorteilhaft wird mit höherer Integration der Aufwand für die Verkabelung der Komponenten reduziert.

Figur 4 zeigt ein Fahrzeug 600 mit einer ersten Antriebsachse 610 und damit verbundenen Antriebsreifen 630, sowie eine zweite Antriebsachse 620 mit ebenfalls damit verbundenen Antriebsrädern 630. Ein in der Zeichnung nicht gekennzeichnetes elektrisches System bzw. Antriebssystem umfasst die zwei Antriebsmodule 250 und 350, welche von einer gemeinsamen Energiequelle, beispielsweise eine Hochvoltbatterie 700, versorgt werden. Alternativ können auch zwei Energiequellen Uil, Ui2, wie in Figur 3 dargestellt, zur Versorgung der Antriebsmodule 250 und 350 vorgesehen werden. Das erste Antriebsmodul 250 versorgt eine erste elektrische Maschine 410 mit elektrischer Energie zum Antrieb der ersten Antriebsachse 610 des Fahrzeugs. Das zweite Antriebsmodul 350 versorgt eine zweite elektrische Maschine 510, welche wiederum die zweite Antriebsachse 620 des Fahrzeugs antreibt. Alternativ besteht die Möglichkeit, ein elektrisches System 100 wie in Fig. 1 dargestellt in einem Fahrzeug 600 vorzusehen, wobei das elektrische System 100 zwei Module 200, 300, beispielsweise zwei Antriebsmodule 250 und 350, umfasst, die zur Versorgung einer einzelnen elektrischen Maschine ausgangsseitig parallel geschaltet sind.

Somit werden zyklusrelevante Teillastbetriebszustände (z.B. weniger als 20% der für die Fahrzeugbeschleunigung oder Fahrzeugsteigfähigkeit installierten Spitzenleistung im Fahrzeug) eines nur mittels einem Modul aufgebauten Systems mit den damit verbundenen niedrigen Wirkungsgraden vermieden beziehungsweise signifikant reduziert. Niedrige Lasten werden mit dem elektrischen System 100 mit zwei Modulen 200, 300 mittels einem dafür speziell dimensionierten und wirkungsgradoptimierten Modul 200, 300 abgedeckt. Dadurch erhöht sich die Ef- fizienz des gesamten Antriebssystems. Die für Beschleunigung und Steigfähigkeit notwendige Spitzenleistung wird mittels Betreiben beider Module 200, 300 bereitgestellt

Die Figur 5 zeigt schematisch dargestellt ein elektrisches System 100 welches als ein elektrisches Wandlersystem 120 ausgebildet ist. Das elektrische Wandlersystem umfasst ein erstes Modul 200, welches als ein Spannungswandlermodul 270 ausgebildet ist. Das zweite Modul 300 ist als zweites Spannungswandlermodul 370 ausgebildet. Wiederum umfasst das erste Spannungswandlermodul 270 ein erstes Schaltelement 210 aus einem ersten Halbleitermaterial, und das zweite Spannungswandlermodul ein zweites Schaltelement aus einem zweiten

Halbleitermaterial. Die Spannungswandlermodule 270 und 370 sind als Gleichspannungswandler ausgebildet, zur Wandlung einer ersten Eingangsspannung Uil über den ersten Spannungswandler 270 in eine erste Ausgangsspannung Uol. Mittels des zweiten Spannungswandlers 370 wird eine zweite Eingangs- Spannung Ui2 in eine zweite Ausgangsspannung Uo2 gewandelt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich die Eingangsspannungen Uil und Ui2 durch eine gemeinsame Eingangsspannung Ui zu ersetzen und die Spannungswandler eingangsseitig parallel zu schalten. Das gleiche gilt für die Ausgangsspannungen Uol und Uo2 der Spannungswandler 270, 370. Aufgrund der unter- schiedlichen Halbleitermaterialien der ersten und der zweiten Schaltelemente des ersten und des zweiten Moduls 200, 300 ergeben sich unterschiedliche Verluste bei der Energieübertragung mittels des ersten Spannungswandlermoduls 270 oder des zweiten Spannungswandlermoduls 370. Figur 6 zeigt ein elektrisches System 100, welches wie in Figur 5 als ein elektrisches Wandlersystem mit zwei Spannungswandlermodulen 270 und 370 ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Eingangsspannung Ui einer Batterie 700 mittels des elektrischen Wandlersystems in eine Ausgangsspannung Uo gewandelt, welche zur Versorgung eines elektrischen Netzes, insbe- sondere eines Bordnetzes 900, eines Fahrzeugs mit einer Vielzahl an Verbrau- ehern 910, 920 vorgesehen ist. Sowohl die Eingangsspannung Ui als auch die Ausgangsspannung Uo der einzelnen Spannungswandlermodule 270, 370 sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel geschaltet. Daher kann eine Energieübertragung von der Eingangsseite des elektrischen Systems, sowohl über ein ein- zelnes Spannungswandlermodul 270, 370 oder bei Bedarf auch mittels beider

Spannungswandlermodule 270, 370 erfolgen.

Figur 7 zeigt ebenfalls ein elektrisches System 100, welches ebenfalls als ein elektrisches Wandlersystem 120 ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel versorgt das elektrische Wandlersystem ein elektrisches Netz 800. Das elektrische Netz 800 ist ein Traktionsnetz für den Antrieb eines Fahrzeugs, wobei die Ausgangsspannung Uo als Eingangsspannung eines Inverters 810 dient, welcher eine elektrische Antriebsmaschine 820 mit einer mehrphasigen Wechselspannung versorgt. Insbesondere kann dieser Inverter 810 vorteilhaft als ein elektri- sches System 100 mit einem ersten Modul 200 und einem zweiten Modul 300, beziehungsweise einem parallelgeschalteten ersten Wechselrichter 250 und einem zweiten Wechselrichter 350, zur gemeinsamen Versorgung der elektrischen Maschine 820 aufgebaut sein. Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm 950 eines Verfahrens zum Betrieb eines elektrischen Systems 100 mit mindestens zwei Modulen 200, 300. Mit Schritt 960 startet das Verfahren. In Schritt 970 wird das elektrische System 100 betrieben, wobei das erste Modul 200 mit einer ersten Betriebsart und das zweite Modul 300 mit einer zweiten Betriebsart betrieben wird. Beispielsweise können sich die Schaltfrequenzen, mit denen die Module 200, 300 angesteuert werden signifikant unterscheiden, bspw. 2 kHz bis 10 kHz und 50 kHz oder je nach Einsatz, beispielsweise bei Gleichspannungswandlern, 10 kHz und 300 kHz. Alternativ oder zusätzlich können unterschiedliche Modulationsarten zur Ansteuerung der Module 200, 300 angewendet werden. Mit Schritt 980 endet das Verfahren.

Claims

Ansprüche

1. Elektrisches System (100) mit mindestens zwei Modulen (200, 300), wobei ein Modul (200, 300) mindestens ein Schaltelement (210, 310) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul (200) ein erstes Schaltelement (210) aus einem ersten Halbleitermaterial umfasst und das zweite Modul (300) ein zweites Schaltelement (310) aus einem zweiten Halbleitermaterial umfasst.

2. Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (210) größere Lei- tungs- und/ oder Schaltverluste aufweist als das zweite Schaltelement (310).

3. Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb des elektrischen Systems das erste Schaltelement (210) mit einer geringeren Schaltfrequenz betrieben wird als das zweite Schaltelement (310).

4. Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial einen geringeren Bandabstand aufweist als das zweite Halbleitermaterial, wobei insbesondere das erste Halbleitermaterial ein Elementhalbleiter oder Silizium ist und insbesondere das zweite Halbleitermaterial ein Verbindungshalbleiter oder Sili- ziumcarbid ist.

5. Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche

dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leistungen der Module (200, 300) unterschiedlich groß sind, insbesondere ein Verhältnis von ungefähr 55/45%, 60/40%, 70/30%, 80/20% oder 90/10% oder jeweils umgekehrt aufweisen.

6. Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Module (200) zur Versorgung mindestens einer ersten unabhängigen elektrischen Komponente (400) und das zweite Modul (300) zur Versorgung mindestens einer zweiten unabhängigen elektrischen Komponente (500) mit elektrischer Energie eingerichtet sind, insbesondere zur Versorgung mindestens einer ersten und einer zweiten elektrischen Maschine (410, 510) eingerichtet sind.

7. Elektrisches System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrische System (100) ein Elektrisches Antriebssystem (110) ist und die zwei Module (200, 300) zwei Antriebsmodule (250, 350) sind, wobei ein erstes Antriebsmodul (250) mindestens einen ersten Wechselrichter mit dem ersten Schaltelement (210_x) um- fasst und ein zweites Antriebsmodul (350) mindestens einen zweiten Wechselrichter mit dem zweiten Schaltelement (310_x) umfasst.

8. Elektrisches System (100) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsmodul (250) zur Versorgung einer ersten elektrischen Maschine (410) für den Antrieb eines Fahrzeugs (600) eingerichtet ist und das zweite Antriebsmodul (350) zur Versorgung einer zweiten elektrischen Maschine (510) für den Antrieb des Fahrzeugs (600) eingerichtet ist.

9. Elektrisches System (100) nach einem Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrische System (100) ein Elektrisches Wandlersystem (120) ist und die zwei Module (200, 300) zwei Spannungswandlermodule (270, 370) sind, wobei ein erstes Spannungswandlermodul (270) mindestens einen ersten Gleichspannungswandler mit dem ersten Schaltelement (210) umfasst und ein zweites Spannungswandlermodul (370) mindestens einen zweiten Gleichspannungswandler mit dem zweiten Schaltelement (310) umfasst.

10. Elektrisches System (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Spannungswandlermodul (270, 370) zur Wandlung elektrischer Energie mindestens einer Energiequelle (700) zur Versorgung eines elektrischen Netzes (800, 900) oder Teilnetzes, insbesondere Traktionsnetz (800) oder Bordnetz (900), eines Fahrzeugs (600) eingerichtet ist.

11. Fahrzeug (600) mit einem elektrischen System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Verfahren (950) zum Betrieb eines elektrischen Systems (100) mit mindestens zwei Modulen (200, 300), wobei ein Modul (200, 300) mindestens ein Schaltelement (210, 310) umfasst, dadurch gekennzeichnet,

dass das erste Modul (200) ein erstes Schaltelement (210) aus einem ersten Halbleitermaterial umfasst und das zweite Modul (300) ein zweites Schaltelement (310) aus einem zweiten Halbleitermaterial umfasst

und im Betrieb (920) des elektrischen Systems (100) das erste Modul (200) mit einer ersten Betriebsart und das zweite Modul (300) mit einer zweiten Betriebsart betrieben wird.

13. Verfahren (950) zum Betrieb eines elektrischen Systems (100) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb (920) des elektrischen Systems (100) das erste Modul (200) mit einer geringeren Schaltfrequenz betrieben wird als das zweite Modul (300).

14. Verfahren (950) zum Betrieb eines elektrischen Systems (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb (970) des elektrischen Systems (100) das erste Modul (200) mit einem ersten Ansteuerverfahren, insbesondere pulsweitenmoduliert, und das zweite Modul (300) mit einem zweiten Ansteuerverfahren, insbesondere im Blockbetrieb, betrieben wird.

15. Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 12-14 auszuführen.

16. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 15 gespeichert ist.